激光原理及應(yīng)用

激光原理及應(yīng)用Laser主要內(nèi)容激光發(fā)展歷史激光基本原理激光特點激光應(yīng)用引言激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”“最亮的光”。經(jīng)過40多年的發(fā)展，激光已經(jīng)被用在生活、科研的方方面面：激光筆、激光針灸、激光裁剪、激光切割、激光焊接、激光淬火、激光唱片、激光指示器、激光測距儀、激光陀螺儀、激光鉛直儀、激光手術(shù)刀、激光炸彈、激光雷達(dá)、激光槍、激光炮等等，在不久的將來，激光肯定會有更廣泛的應(yīng)用。一、激光發(fā)展歷史1917年：愛因斯坦提出“受激發(fā)射”理論，一個光子使得受激原子發(fā)出一個相同的光子。1953年：美國物理學(xué)家查爾斯·哈德·湯斯（CharlesTownes）用微波實現(xiàn)了激光器的前身：微波受激發(fā)射放大（英文首字母縮寫maser）。1957年：Townes的博士生GordonGould創(chuàng)造了“l(fā)aser”這個單詞，從理論上指出可以用光激發(fā)原子，產(chǎn)生一束相干光束，之后人們?yōu)槠渖暾埩藢＠?，相關(guān)法律糾紛維持了近30年。1960年：美國加州Hughes實驗室的TheodoreMaiman實現(xiàn)了第一束激光。1961年：激光首次在外科手術(shù)中用于殺滅視網(wǎng)膜腫瘤。1962年：發(fā)明半導(dǎo)體二極管激光器，這是今天小型商用激光器的支柱。1969年：激光用于遙感勘測，激光被射向阿波羅11號放在月球表面的反射器，測得的地月距離誤差在幾米范圍內(nèi)。1971年：激光進(jìn)入藝術(shù)世界，用于舞臺光影效果，以及激光全息攝像。英國籍匈牙利裔物理學(xué)家DennisGabor憑借對全息攝像的研究獲得諾貝爾獎。1974年：第一個超市條形碼掃描器出現(xiàn)。1975年：IBM投放第一臺商用激光打印機(jī)。1978年：飛利浦制造出第一臺激光盤（LD）播放機(jī)，不過價格很高。1982年：第一臺緊湊碟片（CD）播放機(jī)出現(xiàn)，第一部CD盤是美國歌手BillyJoel在1978年的專輯52ndStreet。1983年：里根總統(tǒng)發(fā)表了“星球大戰(zhàn)”的演講，描繪了基于太空的激光武器。1988年：北美和歐洲間架設(shè)了第一根光纖，用光脈沖來傳輸數(shù)據(jù)。1990年：激光用于制造業(yè)，包括集成電路和汽車制造。1991年：第一次用激光治療近視，海灣戰(zhàn)爭中第一次用激光制導(dǎo)導(dǎo)彈。1996年：東芝推出數(shù)字多用途光盤（DVD）播放器。2008年：法國神經(jīng)外科學(xué)家使用廣導(dǎo)纖維激光和微創(chuàng)手術(shù)技術(shù)治療了腦瘤。2010年：美國國家核安全管理局（NNSA）表示，通過使用192束激光來束縛核聚變的反應(yīng)原料、氫的同位素氘（質(zhì)量數(shù)2）和氚（質(zhì)量數(shù)3），解決了核聚變的一個關(guān)鍵困難。2014年6月5日美國航天局利用激光束把一段時長37秒、名為“你好，世界！”的高清視頻，只用了3.5秒就成功傳回，相當(dāng)于傳輸速率達(dá)到每秒50兆，而傳統(tǒng)技術(shù)下載需要至少10分鐘。激光通信技術(shù)，有望運(yùn)用在手機(jī)上。一、激光發(fā)展歷史世界上第一臺激光器：1960年，美國物理學(xué)家梅曼（Maiman）在實驗室中做成了第一臺紅寶石(Al2O3:Cr)激光器。我國也于1961年9月研制出了激光器。激光在基礎(chǔ)科學(xué)研究、工業(yè)加工、IT領(lǐng)域、醫(yī)療和軍事領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。中國第一臺紅寶石激光器紅寶石激光器一般地包括紅寶石棒、脈沖氙燈、聚光器和光學(xué)諧振腔等四部分。王之江院士二、激光原理LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation意思是“受激輻射的光放大”。激光的英文全名已經(jīng)完全表達(dá)了制造激光的主要過程。激光的原理早在1916年已被著名的美國物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，但直到1960年激光才被首次成功制造。1964年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。受激輻射

它基于偉大的科學(xué)家愛因斯坦在1916年提出了的一套全新的理論。這一理論是說在組成物質(zhì)的原子中，有不同數(shù)量的粒子（電子）分布在不同的能級上，在高能級上的粒子受到某種光子的激發(fā)，會從高能級跳到（躍遷）到低能級上，這時將會輻射出與激發(fā)它的光相同性質(zhì)的光，而且在某種狀態(tài)下，能出現(xiàn)一個弱光激發(fā)出一個強(qiáng)光的現(xiàn)象。這就叫做“受激輻射的光放大”，簡稱激光。自發(fā)輻射、受激吸收、受激輻射激光器的基本構(gòu)成

激光諧振腔：提供正反饋，形成譜線特輸出激光。泵浦源（激勵源）：提供激光能量，使下能級的粒子躍遷到上能級。激勵形式：電激勵，光激勵，熱激勵，化學(xué)激勵，核激勵等方式。尾鏡（全反鏡)激光介質(zhì)輸出鏡（部分反射鏡）泵浦源光放大的條件激光介質(zhì)——實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)所謂粒子數(shù)反轉(zhuǎn)就是上能級的粒子數(shù)比下能級的粒子數(shù)多。N2/N1>1

這種狀態(tài)稱為“非熱平衡態(tài)”，對光有放大作用。激光介質(zhì)：氣體，固體，半導(dǎo)體，準(zhǔn)分子，液體等。激光器分類按工作物質(zhì)分類：氣體激光器、固體激光器、液體激光器、半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)分子激光器等。按諧振腔分類：內(nèi)腔激光器、外腔激光器、環(huán)型激光器、波導(dǎo)激光器等。按工作狀態(tài)分：連續(xù)激光器、脈沖激光器、超短脈沖激光器。氦氖激光器氦氖激光器（Helium-neongaslaser）是研制成功的第一種氣體激光器，也是最常用的一種，通常在可見光頻段（6328?）工作，其他還有1.1523μm及3.3913μm，但不常用。功率一般約數(shù)毫瓦，連續(xù)發(fā)光。因為制造方便、較便宜、可靠，所以使用較多。由于單色性好，相干長度可達(dá)數(shù)十米以致數(shù)百米，其工作原理參見“四能級系統(tǒng)”。固體激光器用固體激光材料作為工作物質(zhì)的激光器。1960年，T.H.梅曼發(fā)明的紅寶石激光器就是固體激光器，也是世界上第一臺激光器。固體激光器一般由激光工作物質(zhì)、激勵源、聚光腔、諧振腔反射鏡和電源等部分構(gòu)成。染料激光器工作物質(zhì)是有機(jī)染料，其能級由單重態(tài)(S)和三重態(tài)(T)組成。S和T又分裂成許多振動－轉(zhuǎn)動能態(tài)，在溶液中這些能態(tài)還要明顯加寬，因此能發(fā)出很寬的熒光。一般染料激光器的結(jié)構(gòu)簡單、價廉，輸出功率和轉(zhuǎn)換效率都比較高。環(huán)形染料激光器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但性能優(yōu)越，可以輸出穩(wěn)定的單縱模激光。染料激光的調(diào)諧范圍為0.3～1.2微米，是應(yīng)用最多的一種可調(diào)諧激光器。半導(dǎo)體激光器三、激光的特點相干性極好(單色性,空間相干性);方向性極好,亮度極高；脈沖瞬時功率大；激光的方向性

當(dāng)

=10-3弧度時，

=10-6弧度，這意味一般激光只在數(shù)量級為10-6弧度立體角內(nèi)傳輸。而白熾燈在4

弧度的立體角范圍發(fā)光。由此可見，激光束比普通光束的方向性好幾百萬倍。

亮1000，000倍激光的高亮度

光源的亮度是表征光源輻射強(qiáng)弱的一個重要參量。對于在光源表面法向的發(fā)光亮度定義為脈沖激光的亮度可以比普通光源高達(dá)100,000,000倍激光的單色性一般物體發(fā)光是由構(gòu)成物體的粒子（原子、分子、離子等）從一個高能級躍遷到另一個低能級，而引起的，其頻率為單色性常用來表征

，同樣也可以用頻率范圍為

表示單色性，這時單色性可表為：由此可見，

或

越窄，光的單色性越好。激光的相干性

在普通光源中，各個發(fā)光中心彼此獨立，它們之間基本沒有位相聯(lián)系（或很少），因此難于存在恒定的位相差，所以相干性較差。對于激光器來說則完全不同，各個發(fā)光中心是相互聯(lián)系的，在較長的時間內(nèi)存在一定的位相聯(lián)系（或同位相），所以激光器發(fā)出的激光束無論是時間相干性或空間相干性都是很好的。四、激光應(yīng)用1激光測距2激光加工3日常儀器4激光核聚變5激光通信6醫(yī)學(xué)應(yīng)用7軍事應(yīng)用徠卡手持式激光測距儀測距儀發(fā)射出的激光經(jīng)被測量物體的反射后又被測距儀接收，測距儀同時記錄激光往返的時間。光速和往返時間的乘積的一半，就是測距儀和被測量物體之間的距離。受持式激光測距儀測量距離一般在200米內(nèi)，精度在2mm左右。這是目前使用范圍最廣的激光測距儀。在功能上除能測量距離外，一般還能計算測量物體的體積。激光測距儀重量輕、體積小、操作簡單速度快而準(zhǔn)確，其誤差僅為其它光學(xué)測距儀的五分之一到數(shù)百分之一。應(yīng)用舉例：交通事故現(xiàn)場1激光測距2激光加工激光加工是激光系統(tǒng)最常用的應(yīng)用。根據(jù)激光束與材料相互作用的機(jī)理，大體可將激光加工分為激光熱加工和光化學(xué)反應(yīng)加工兩類。激光熱加工是指利用激光束投射到材料表面產(chǎn)生的熱效應(yīng)來完成加工過程，包括激光焊接、激光切割、表面改性、激光打標(biāo)、激光鉆孔和微加工等；光化學(xué)反應(yīng)加工是指激光束照射到物體，借助高密度高能光子引發(fā)或控制光化學(xué)反應(yīng)的加工過程。包括光化學(xué)沉積、立體光刻、激光刻蝕等。激光打標(biāo)激光打標(biāo)技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。激光打標(biāo)是利用高能量密度的激光對工件進(jìn)行局部照射，使表層材料汽化或發(fā)生顏色變化的化學(xué)反應(yīng)，從而留下永久性標(biāo)記的一種打標(biāo)方法。激光打標(biāo)可以打出各種文字、符號和圖案等，字符大小可以從毫米到微米量級，這對產(chǎn)品的防偽有特殊的意義。激光打標(biāo)聚焦后的極細(xì)的激光光束如同刀具，可將物體表面材料逐點去除，其先進(jìn)性在于標(biāo)記過程為非接觸性加工，不產(chǎn)生機(jī)械擠壓或機(jī)械應(yīng)力，因此不會損壞被加工物品；由于激光聚焦后的尺寸很小，熱影響區(qū)域小，加工精細(xì)，因此，可以完成一些常規(guī)方法無法實現(xiàn)的工藝。激光加工使用的“刀具”是聚焦后的光點，不需要額外增添其它設(shè)備和材料，只要激光器能正常工作，就可以長時間連續(xù)加工。激光加工速度快，成本低廉。激光加工由計算機(jī)自動控制，生產(chǎn)時不需人為干預(yù)。激光能標(biāo)記何種信息，僅與計算機(jī)里設(shè)計的內(nèi)容相關(guān)，只要計算機(jī)里設(shè)計出的圖稿打標(biāo)系統(tǒng)能夠識別，那么打標(biāo)機(jī)就可以將設(shè)計信息精確的還原在合適的載體上。因此軟件的功能實際上很大程度上決定了系統(tǒng)的功能。

激光切割激光切割是應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生的高功率密度能量來實現(xiàn)的。在計算機(jī)的控制下，通過脈沖使激光器放電，從而輸出受控的重復(fù)高頻率的脈沖激光，形成一定頻率，一定脈寬的光束，該脈沖激光束經(jīng)過光路傳導(dǎo)及反射并通過聚焦透鏡組聚焦在加工物體的表面上，形成一個個細(xì)微的、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面附近，以瞬間高溫熔化或氣化被加工材料。每一個高能量的激光脈沖瞬間就把物體表面濺射出一個細(xì)小的孔，在計算機(jī)控制下，激光加工頭與被加工材料按預(yù)先繪好的圖形進(jìn)行連續(xù)相對運(yùn)動打點，這樣就會把物體加工成想要的形狀。切割時,一股與光束同軸氣流由切割頭噴出，將熔化或氣化的材料由切口的底部吹出(注：如果吹出的氣體和被切割材料產(chǎn)生熱效反應(yīng),則此反應(yīng)將提供切割所需的附加能源；氣流還有冷卻已切割面，減少熱影響區(qū)和保證聚焦鏡不受污染的作用)。與傳統(tǒng)的板材加工方法相比,激光切割其具有高的切割質(zhì)量(切口寬度窄、熱影響區(qū)小、切口光潔)、高的切割速度、高的柔性(可隨意切割任意形狀)、廣泛的材料適應(yīng)性等優(yōu)點。鈑金激光切割燈罩

紐扣激光焊接激光焊接是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。中國的激光焊接處于世界先進(jìn)水平，具備了使用激光成形超過12平方米的復(fù)雜鈦合金構(gòu)件的技術(shù)和能力，并投入多個國產(chǎn)航空科研項目的原型和產(chǎn)品制造中。2013年10月，中國焊接專家獲得了焊接領(lǐng)域最高學(xué)術(shù)獎--布魯克獎，中國激光焊接水平得到了世界的肯定。激光日常應(yīng)用

CD光盤：直徑12cm，厚度1.2mm。光盤材料為聚碳酸酯透明塑料，信息面鍍有鋁反射層，并涂有一層保護(hù)膜。數(shù)字信號以坑點序列的物理形式刻制在厚度為0.01m的鋁反射層上，信號坑的寬度為0.5m，長度為0.833~3.054m，深度為0.11m?？狱c序列沿著相距1.6m中心距的螺旋形軌跡由內(nèi)向外排列。每張光盤大約有2萬圈信跡，共約6109~7109個坑。聚碳酸酯透明塑料層的折射率n1為1.5，它也是光學(xué)系統(tǒng)的組成部分，激光束從空氣中射入它后，將進(jìn)一步產(chǎn)生折射，最終以1μm的光點聚焦在信號坑上。激光核聚變核聚變是指由質(zhì)量小的原子，主要是指氘或氚，在一定條件下（如超高溫和高壓），發(fā)生原子核互相聚合作用，生成新的質(zhì)量更重的原子核，并伴隨著巨大的能量釋放的一種核反應(yīng)形式。原子核中蘊(yùn)藏巨大的能量，原子核的變化（從一種原子核變化為另外一種原子核）往往伴隨著能量的釋放。由重的原子核變化為輕的原子核，叫核裂變，如原子彈爆炸；由輕的原子核變化為重的原子核，叫核聚變，如太陽發(fā)光發(fā)熱的能量來源。相比核裂變，核聚變幾乎不會帶來放射性污染等環(huán)境問題，而且其原料可直接取自海水中的氘，來源幾乎取之不盡，是理想的能源方式。目前已經(jīng)可以實現(xiàn)不受控制的核聚變，如氫彈的爆炸。但是要想能量可被人類有效利用，必須能夠合理的控制核聚變的速度和規(guī)模，實現(xiàn)持續(xù)、平穩(wěn)的能量輸出?？煽睾司圩兎绞剑撼暡ê司圩兗す饧s束（慣性約束）核聚變磁約束核聚變（托卡馬克）激光核聚變裝置內(nèi)部激光通信美國宇航局的月球激光通信演示包括月球大氣與塵埃環(huán)境探測器和地球間的雙向激光通信。它展示了這樣一個方法可能傳輸大量數(shù)據(jù)。這意味著高清視頻可從地球傳送到外太空，也可能從外太空傳送給地球。2013年，這個科研組的月球激光通信演示(LLCD)以每秒622兆位的下載速度在月球和地球間傳輸數(shù)據(jù)超過23.9萬英里(約合38.5萬公里)。這個傳輸速度超過任何無線電頻率(RF)系統(tǒng)。另外，他們還以每秒19.44兆位的傳輸速度在地球和月球間傳送數(shù)據(jù)。這個速度比迄今所用最好的無線電頻率上行鏈路高出4800倍。醫(yī)學(xué)應(yīng)用光動力療法治癌；激光治療心血管疾病；準(zhǔn)分子激光角膜成形術(shù)；激光治療前列腺良性增生；激光美容術(shù)；激光纖維內(nèi)窺鏡手術(shù)；激光腹腔鏡手術(shù)；激光胸腔鏡手術(shù)；激光關(guān)節(jié)鏡手術(shù)；激光碎石術(shù)；激光外科手術(shù)；激光在口腔、頜面外科及牙科方面的應(yīng)用；弱激光療法等。激光診斷、手術(shù)和治療

激光層析造影、激光熒光診斷、光動力學(xué)治療（PDA）技術(shù)、激光心臟打孔、激光光纖內(nèi)窺鏡手術(shù)……激光穿心術(shù)激光眼科手術(shù)激光眼科手術(shù)原理Argon

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